專利名稱：測量制冷劑容器中液態(tài)制冷劑液面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量制冷劑容器中液態(tài)制冷劑液面的超導(dǎo)制冷劑液面探測器，特別是涉及測量制冷劑容器中液態(tài)制冷劑液面的方法。
背景技術(shù)：
已知的制冷劑液面探測器采用一段超導(dǎo)導(dǎo)線，該超導(dǎo)導(dǎo)線基本豎直地局部浸入容納在制冷劑容器中的液態(tài)制冷劑中。該超導(dǎo)導(dǎo)線的與液態(tài)制冷劑接觸的那些部分將處于超導(dǎo)狀態(tài)，而該導(dǎo)線處于氣態(tài)制冷劑中的那些部分可以處于電阻狀態(tài)，這是因為氣態(tài)制冷劑的制冷效果比液態(tài)制冷劑低很多。圖1示出了例如可以用于MRI (核磁共振成像)系統(tǒng)以約束磁體線圈的制冷器。 制冷劑容器1約束液態(tài)制冷劑2。制冷劑容器中液態(tài)制冷劑液面上方的空間3可以填充有蒸發(fā)的制冷劑。制冷劑容器容納在真空外殼4內(nèi)，該真空外殼4用于通過降低制冷劑容器 1的熱傳導(dǎo)或熱對流的可能性來減少從環(huán)境溫度流向制冷劑2的熱量。一個或多個隔熱板 5可以設(shè)置在制冷劑容器1和真空外殼4之間的真空空間中。這些隔熱板用于減少到達(dá)制冷劑容器1的外部輻射熱量。設(shè)置允許從外部進(jìn)入制冷劑容器的進(jìn)入頸6。這是用于填充制冷劑容器，以為電流引線和其它接線連接到收納在所述制冷劑容器中的超導(dǎo)線圈提供通道，并且為汽化的氣態(tài)制冷劑提供逸出路徑。在此系統(tǒng)中，需要定期監(jiān)視液態(tài)制冷劑的液面，同時該系統(tǒng)仍處于運作狀態(tài)。這需要檢測泄漏(由制冷劑的異常高的消耗指示)，并確保以適當(dāng)間隔注滿液態(tài)制冷劑，從而使得磁體線圈或其它物體保持被液態(tài)制冷劑充分冷卻。當(dāng)制冷劑液面低時，部分磁體不再浸入液態(tài)制冷劑中并且將比液面高時的溫度高。對于超導(dǎo)磁體來說，這會導(dǎo)致磁體失超，磁體失超是危險的且可以損傷系統(tǒng)，并且導(dǎo)致磁場坍塌。然而，任何選定的測量過程不應(yīng)該使不適當(dāng)?shù)臒崃枯斎胂到y(tǒng)。通常認(rèn)為每天測量一次液態(tài)制冷劑的液面就足夠了。導(dǎo)引管10設(shè)置在用于收納制冷劑液面探測器的制冷腔中。導(dǎo)引管10從進(jìn)入頸6 延伸到大約制冷劑容器的下端。導(dǎo)引管的端部不封閉，而是填充液態(tài)制冷劑，該液態(tài)制冷器劑填充至制冷劑容器中的液態(tài)制冷劑的液面。設(shè)置導(dǎo)引管10以收納用于測量制冷劑容器 1中的液態(tài)制冷劑2的深度的制冷劑液面探測器。制冷劑液面探測器包括延伸所述探測器長度的超導(dǎo)導(dǎo)線。操作中，電流通過該導(dǎo)線。導(dǎo)線的浸入液態(tài)制冷劑的那些部分將基本保持在超導(dǎo)狀態(tài)，而導(dǎo)線的暴露于氣態(tài)制冷劑的那些部分可以變?yōu)橛须娮璧摹Ｔ搶?dǎo)線電阻部分產(chǎn)生的電勢提供了該導(dǎo)線電阻的指示。而這又指示出了氣態(tài)制冷劑中導(dǎo)線的長度，因此也就指示出了制冷劑容器中液態(tài)制冷劑的液面。已知這種制冷劑液面探測器在可靠地測量制冷劑容器中的制冷劑液面方面具有不一致的操作性能。制冷劑液面?zhèn)鞲衅鞯囊话阌猛臼菧y量制冷劑容器中的液態(tài)氦的液面， 所述制冷劑容器中包含用于MRI成像系統(tǒng)的超導(dǎo)磁體。通常，制冷劑液面探測器包括一段薄超導(dǎo)導(dǎo)線(通常直徑為0. Imm),該超導(dǎo)導(dǎo)線位于導(dǎo)引管10內(nèi)或者位于制冷劑容器內(nèi)，例如，安裝在非導(dǎo)電載體上或被圍繞在保護(hù)網(wǎng)環(huán)境中。為了有效測量制冷劑液面，通過用由外部電力控制設(shè)備供能的電熱器進(jìn)行加熱， 將位于氣態(tài)制冷劑中的超導(dǎo)導(dǎo)線的上部制成電阻性的。電流通過超導(dǎo)導(dǎo)線，消耗在超導(dǎo)導(dǎo)線電阻部分的熱量加熱導(dǎo)線的相鄰部分，這呈現(xiàn)出了那些電阻。這種電熱器與超導(dǎo)體串聯(lián)連接，因此提供給電熱器的電流與超導(dǎo)導(dǎo)線的相同。在已知的布置中，電熱器是纏繞在超導(dǎo)導(dǎo)線周圍并且用漆結(jié)合在一起的線式加熱器。在另一已知變型中，超導(dǎo)導(dǎo)線覆蓋有一層與超導(dǎo)導(dǎo)線串聯(lián)電連接的箔式加熱器。結(jié)果使得，電阻性“前緣”沿超導(dǎo)導(dǎo)線蔓延(或稱傳播)， 直到到達(dá)液體制冷劑的表面。通常，以如下方式有效冷卻導(dǎo)線與液態(tài)制冷劑接觸的那些部分，即要使得電阻性前緣一旦到達(dá)液體制冷劑的表面就停止蔓延。此時，超導(dǎo)導(dǎo)線以及超導(dǎo)導(dǎo)線上由給定的施加電流產(chǎn)生的電勢提供了制冷劑容器中制冷劑液面的指示。在以下方面存在問題，即，需要平衡引入的足夠能量，既要使得電阻性前緣能夠到達(dá)液體層，同時還要防止電阻性前緣由于作用過多的能量而過度地蔓延到液態(tài)制冷劑的表面之下，防止測量到液體表面下方的液面。此問題在英國專利申請GBM15512A中有論述， 該申請描述了使用制冷劑液面探測器來測量制冷劑液面，包括“卡住”探測器的可行方案， 其中電阻性前緣的蔓延因為存在不想要的熱損失路徑而被中斷。制冷劑容器可以在液面上方具有不均勻的溫度區(qū)，例如由于制冷劑容器中復(fù)雜的熱力學(xué)條件而在制冷劑容器中不可預(yù)料地產(chǎn)生的極冷點。如果供應(yīng)到探測器的超導(dǎo)導(dǎo)線的能量不足，則這些冷區(qū)將防止導(dǎo)線在那些區(qū)域中變?yōu)殡娮栊缘牟⒁虼藢⒌玫讲徽_的液面測量。通常，對于MRI應(yīng)用中預(yù)期的磁場強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)的操作電流來說，超導(dǎo)導(dǎo)線的臨界溫度為8至10開氏度。如果，例如，在4. 2K的溫度使用液氦制冷劑，則很可能氣態(tài)制冷劑區(qū)域會出現(xiàn)在8-10K或更低的溫度。這個發(fā)明確保給定上述條件的制冷劑液面測量的可靠性和準(zhǔn)確性，利用 GB2415512A中描述的方法克服已知問題。以下文件描述了其它常規(guī)布置。GBM01688A描述了一種氦探測器的結(jié)構(gòu)，但是未涉及在操作中施加到該探測器的電流脈沖的構(gòu)造。JP8035875-A1描述了一種探測器結(jié)構(gòu)，還提及使用A-D轉(zhuǎn)換器的探測電路。JP61031925-A1描述了一種探測器的結(jié)構(gòu)但未描述控制方法。SU127^60_A1描述了一種探測器，其上纏繞有全長型加熱器，并且該探測器具有抽頭點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明并不討論制冷劑液面探測器的物理結(jié)構(gòu)。實際上，本發(fā)明可應(yīng)用于任何已知的制冷劑液面探測器結(jié)構(gòu)。相反地，本發(fā)明意在通過適當(dāng)?shù)乜刂剖┘拥街评鋭┮好嫣綔y器超導(dǎo)導(dǎo)線的電流脈沖的幅度和持續(xù)時間的概況，提供對制冷劑液面的更可靠的測量。因此，本發(fā)明提供了如所附權(quán)利要求所述的方法。


通過結(jié)合附圖思考以不限制例子的方式給出的下述實施例，本發(fā)明的以上和其它目的、特征和優(yōu)點將變得更加顯然，其中
圖1圖示了穿過圓柱形制冷劑容器的徑向橫截面，其示出了制冷劑液面探測器的常規(guī)位置；
圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的可以施加到制冷劑液面探測器的超導(dǎo)導(dǎo)線的示例性電流脈沖；
圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的施加到制冷劑液面探測器的超導(dǎo)導(dǎo)線的恢復(fù)電流脈沖部分的可接受參數(shù)的范圍。
具體實施例方式本發(fā)明意在通過適當(dāng)?shù)乜刂剖┘拥街评鋭┮好嫣綔y器的超導(dǎo)導(dǎo)線的電流脈沖的幅度和持續(xù)時間的輪廓，提供對制冷劑液面的更可靠的測量。具體地，本發(fā)明提供應(yīng)用于制冷劑液面探測器的超導(dǎo)導(dǎo)線的電流脈沖輪廓，該制冷劑液面探測器確保液體到氣體邊界的可靠的探測。根據(jù)本發(fā)明，通過在超導(dǎo)導(dǎo)線上施加過量電流實現(xiàn)液體制冷劑表面液面的可靠探測，在此之前需要使超導(dǎo)導(dǎo)線中的電阻性前緣蔓延到液態(tài)制冷劑的表面，小心將電阻性前緣過度蔓延到液體表面下方。然后，減小該電流以使得液體表面下方的超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)特性因與液態(tài)制冷劑接觸冷卻而被恢復(fù)。在一給定時間段后，施加測量電流，并可通過不同于常規(guī)的方法來測量制冷劑容器中的液態(tài)制冷劑的液面。該測量電流的幅度足以提供精確的測量并保持電阻性前緣在液態(tài)制冷劑表面處的位置，但是不足以使超導(dǎo)導(dǎo)線中的電阻性前緣進(jìn)一步蔓延。本發(fā)明可以在獨立于制冷劑容器中的氣態(tài)制冷劑的溫度環(huán)境的情況下可靠并準(zhǔn)確地探測液態(tài)制冷劑的液面。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例施加到制冷劑液面探測器的超導(dǎo)導(dǎo)線的示例性電流脈沖100。電流脈沖100由前沿部分102、爆發(fā)脈沖部分104、恢復(fù)脈沖部分106和測量脈沖部分108組成。多個電流脈沖部分是連續(xù)的并且所施加的電流在所述多個電流脈沖部分之間不歸零。電流脈沖的前沿102優(yōu)選是線性傾斜的，例如，對于800mA的“值來說以常規(guī)斜率d//di為4A/s傾斜。目前認(rèn)為，斜率dJ/di可以方便地從ΙΑ/s - lOA/s范圍內(nèi)的任意處選擇，而爆發(fā)脈沖部分的電流幅度優(yōu)選為不大于800mA。前沿102和其后的爆發(fā)脈沖部分104—起形成爆發(fā)脈沖。該爆發(fā)脈沖用來確保使電阻性前緣蔓延超導(dǎo)導(dǎo)線的長度，蔓延到制冷劑容器中液態(tài)制冷劑表面下方的液面。適當(dāng)?shù)剡x擇斜率是重要的，因為太快的斜率將導(dǎo)致制冷劑液面探測器承受因變化的電流幅度與磁場間的相互作用產(chǎn)生的巨大的力，這會因移動而導(dǎo)致制冷劑液面探測器受損。相反地，如果斜率過緩，則爆發(fā)脈沖的持續(xù)時間增加，將引入不可接受程度的額外熱量， 并導(dǎo)致液態(tài)制冷劑的揮發(fā)增加。通常，如GBM15512A所述，超導(dǎo)導(dǎo)線上可以探測到一定電勢，以確保電阻性前緣的蔓延已經(jīng)開始。0.5V的電勢可以被選定為給出這種指示。超導(dǎo)導(dǎo)線上將達(dá)到的0.5V的蔓延指示電勢所需的時間(di)和電流(dJ)可被記錄下來。如果在預(yù)定時間內(nèi)未達(dá)到選定電勢，則可放棄測試，并向操作者指示存在錯誤。爆發(fā)脈沖部分104的持續(xù)時間、可以為2-3秒。當(dāng)此時間結(jié)束時例如，爆發(fā)脈沖結(jié)束并且所施加的電流下降到恢復(fù)脈沖部分106中的恢復(fù)電流力，例如，在例如IOOms的時間段tr內(nèi)下降到125mA-175mA的恢復(fù)電流水平之。應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇恢復(fù)脈沖部分106的可變參數(shù)(電流幅度和持續(xù)時間)，因為他們決定液態(tài)制冷劑液面的探測的可靠性。由于電阻性前緣“放松”返回到液態(tài)制冷劑的液面，因此恢復(fù)電流脈沖部分的電流幅度之和持續(xù)時間tr的選定值決定液態(tài)制冷劑的表面下方的超導(dǎo)區(qū)的恢復(fù)周期。經(jīng)驗上，可以為制冷劑、制冷劑容器和探測器的任何特定組合找到合適的電流幅度ir和持續(xù)時間tr值。在恢復(fù)脈沖部分106之后，所施加的電流幅度增加到測量電流脈沖部分108的測量水平厶。測量電流水平im通常為250mA至1A，測量脈沖部分的持續(xù)時間G可以為例如6秒。測量脈沖部分108提供幅度為厶的恒定電流，足夠保持超導(dǎo)導(dǎo)線中電阻性前緣在液態(tài)制冷劑表面處的位置，而不會導(dǎo)致電阻性前緣蔓延到液態(tài)制冷劑表面下方。按常規(guī)操作所施加的電流的該部分和相關(guān)的測量?？傊虼?，根據(jù)本發(fā)明，通過經(jīng)由超導(dǎo)導(dǎo)線施加電流脈沖100來操作包括延伸了制冷劑液面探測器的長度的超導(dǎo)導(dǎo)線的制冷劑液面探測器，所述電流脈沖起始于傾斜的前沿102，該前沿102使通過導(dǎo)線的電流增加至爆發(fā)幅度i,.。電流保持在電流脈沖部分持續(xù)時間h內(nèi)的電流幅度，這導(dǎo)致電阻性前緣將超導(dǎo)導(dǎo)線向下蔓延到液態(tài)制冷劑表面下方的液面。這使得超導(dǎo)導(dǎo)線的在液態(tài)制冷劑表面下方的部分被液態(tài)制冷劑冷卻，從而使電阻性前緣返回液態(tài)制冷劑的表面。然后在測量持續(xù)時間G電流幅度增至測量大小4。該測量大小厶足以使電阻性前緣保持在液態(tài)制冷劑的表面，但是不足以使電阻性前緣蔓延到液態(tài)制冷劑的表面下方。在測量持續(xù)時間G的過程中，測量超導(dǎo)導(dǎo)線的電阻(測量電阻本身是常規(guī)的)，并且所測量的電阻被用于計算制冷劑容器中的液態(tài)制冷劑的液面。如上所述，需要謹(jǐn)慎選擇恢復(fù)脈沖部分106的電流幅度^和持續(xù)時間。盡管這可以通過常規(guī)的反復(fù)試驗法執(zhí)行。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法、利用一系列恢復(fù)電流脈沖部分106的電流幅度ir 和持續(xù)時間G來操作超導(dǎo)制冷劑探測器的性能邊界的示例性標(biāo)繪圖。圖3的矩形框中示出的性能邊界表示設(shè)置有所示特定參數(shù)之和tr的成功工作的探測器的比例。在標(biāo)注1. 0的區(qū)域，采用這些參數(shù)的探測器將97%-100%讀取正確的液面。同樣，標(biāo)注0.95的區(qū)域表示采用這些參數(shù)的探測器中有90%-97%將讀取正確的液面。在該例中，與圖2所示的范例相同， 爆發(fā)脈沖部分104具有600mA的電流幅度和2s的持續(xù)時間ti0如所示出的，利用一系列恢復(fù)脈沖部分106的電流幅度^和持續(xù)時間G可以獲得0. 97-1. 00的優(yōu)選范圍的性能邊界。 優(yōu)選地，從提供所需的性能邊界的值的范圍的中間部分選擇這些參數(shù)的值。在此例中，電流幅度^= 175 mA和持續(xù)時間G = 1500 ms的值被選用于恢復(fù)電流脈沖部分106，如圖2所示。相應(yīng)的點在圖3中示出。對于制冷劑、探測器和制冷劑容器的其它組合，可根據(jù)經(jīng)驗推導(dǎo)出用于恢復(fù)電流脈沖部分的電流幅度之和持續(xù)時間tr的等效參數(shù)圖表和選擇范圍。
根據(jù)本發(fā)明，施加到制冷劑容器探測器的電流脈沖包括足夠幅度的爆發(fā)電流脈沖部分，以確保電阻性前緣使探測器向下蔓延到液態(tài)制冷劑表面下方；恢復(fù)電流脈沖部分， 使得在液態(tài)制冷劑的表面下方的超導(dǎo)導(dǎo)線部分恢復(fù)到超導(dǎo)狀態(tài)；以及足夠幅度和持續(xù)時間的測量電流脈沖部分以精確測量待測量的超導(dǎo)導(dǎo)線的電阻。通過提供足夠幅度和持續(xù)時間的爆發(fā)脈沖以確保電阻性前緣蔓延到液態(tài)制冷劑的表面下方，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中的困難。電阻性前緣在冷點或不必要的熱損耗路徑上不會變得“卡住”。
權(quán)利要求
1.一種測量制冷劑容器中液態(tài)制冷劑液面的方法，包括以下步驟將制冷劑液面探測器基本豎直地引入含有液態(tài)制冷劑的制冷劑容器中，所述制冷劑液面探測器包括延伸了所述制冷劑液面探測器的長度的超導(dǎo)導(dǎo)線；使電流通過所述超導(dǎo)導(dǎo)線，以使電阻性前緣沿所述超導(dǎo)導(dǎo)線向下蔓延到所述液態(tài)制冷劑的表面；以及測量所述超導(dǎo)導(dǎo)線的電阻，其特征在于，使電流通過所述超導(dǎo)導(dǎo)線的步驟包括施加具有如下輪廓的電流脈沖 (100)，所述輪廓包括前沿部分(102)、爆發(fā)脈沖部分(104)、恢復(fù)脈沖部分(106)和測量脈沖部分(108)，其中所述前沿部分使電流幅度增加到第一幅度(i,.) 一段第一持續(xù)時間( ,.)，以形成所述爆發(fā)脈沖部分，所述爆發(fā)脈沖部分具有足夠的幅度和持續(xù)時間，以確保電阻性前緣沿所述超導(dǎo)導(dǎo)線向下蔓延到所述液態(tài)制冷劑的表面下方的液面；所述恢復(fù)脈沖部分(106)跟在所述爆發(fā)脈沖部分之后，并且包括在一段第二持續(xù)時間 (tr)內(nèi)小于第一幅度的第二幅度(之)的電流，從而使得在所述液態(tài)制冷劑的表面下方的所述超導(dǎo)導(dǎo)線恢復(fù)到它的超導(dǎo)狀態(tài)；而且所述測量脈沖部分(108)跟在所述恢復(fù)脈沖部分之后，并且包括在一段第三持續(xù)時間 (O內(nèi)大于第二幅度但小于第一幅度的第三幅度(厶)的電流，所述第三持續(xù)時間和第三幅度適于測量所述超導(dǎo)導(dǎo)線的電阻，在測量期間保持所述電阻性前緣的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟監(jiān)視所述超導(dǎo)導(dǎo)線上由于將電流通過所述超導(dǎo)導(dǎo)線的步驟而出現(xiàn)的電勢，并且檢測提供所述電阻性前緣的蔓延已經(jīng)開始的指示的選定電勢。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，如果在預(yù)定時間內(nèi)未達(dá)到所述選定電勢，則放棄測量嘗試，并且向操作員指示出現(xiàn)了錯誤。
4.一種制冷劑容器中液態(tài)制冷劑液面的測量方法，其基本上如附圖中的圖2所描述和示出的。
全文摘要
本發(fā)明涉及測量制冷劑容器中液態(tài)制冷劑液面的方法。根據(jù)本發(fā)明，施加到制冷劑液面探測器的電流脈沖包括足夠幅度的爆發(fā)脈沖部分，以確保電阻性前緣沿所述探測器向下蔓延到所述液態(tài)制冷劑的表面下方；恢復(fù)脈沖部分使得在所述液態(tài)制冷劑的表面下方的所述超導(dǎo)導(dǎo)線恢復(fù)到超導(dǎo)狀態(tài)；以及足夠幅度和持續(xù)時間的測量電流脈沖部分在所述爆發(fā)脈沖部分，以準(zhǔn)確測量待測量的超導(dǎo)導(dǎo)線的電阻。
文檔編號G01F23/24GK102435258SQ20111027521
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者梅特卡夫 B., 倫敦 M., W. 埃奇利 P., 米克赫夫 V. 申請人:英國西門子公司